金山隧道明挖段方案设计的探讨

(成都华川公路建设集团有限公司, 四川 成都 610091)

目前城市隧道越来越多，由于城市隧道大部分都是浅埋隧道，除了暗挖段之外，也会出现明挖段，而明挖段周边往往会有高层建筑，不能像高速公路隧道明挖段那样大开大挖，需要施作基坑并进行强有力的防护，然后再施作隧道。另外，城市隧道洞口往往会与其它道路交叉，这时为了交叉路口交通组织的需要，隧道洞口明挖段往往会拓宽增加车道，这也会直接导致明洞断面加大，明洞段的基坑宽度增加，明洞结构安全风险加大，基坑稳定性也会受影响。因此，城市山岭隧道明挖段要结合周边具体情况，对明挖段隧道结构、基坑防护等进行合理的布置，确保工程的顺利推进[1-7]。

1 工程概况及存在的问题

金山隧道为金山大道上的一座隧道，全长550 m，为双向6车道连拱隧道， 起止桩号为K1+380～K1+930，其中K1+380～K1+850为暗挖段，长470 m，采用矿山法施工，K1+850～K1+930为明挖段，长80 m，隧道区域内地质从上而下依次为杂填土、粉质黏土、全风化泥质粉砂岩，地下水发育。由于暗挖段采用矿山施工，隧道断面采用拱形结构，见图1。

图1 暗挖段衬砌(单位: cm)

隧道出口端洞口前方60 m为新林路，金山大道与新林路交叉，为了满足交叉路口拓宽的需求，隧道明洞段需要增加1车道，也就是由双向6车道变成双向8车道，明挖段基坑深约12 m，基坑左侧为印刷厂(6层楼)，右侧为金茂公司(12层高楼)，与基坑的距离分别约为6、8 m，基坑宽度约为39 m，见图2。

图2 明挖段平面布置(单位： m)

K1+850～K1+930明挖段存在的问题：①明挖段为双向8车道，断面超大，采用什么样的结构形式更合理；②明挖段基坑较深且地质差，建筑物离基坑很近，基坑围护型式很关键；③虽然基坑做了围护结构，为了确保周边建筑的安全，很有必要对基坑周边土体进行加固。

2 明挖结构

明挖段为双向8车道结构，断面内轮廓宽度约为17 m(单洞)。城市隧道明挖段一般采用矩形框架结构，但本隧道明挖段断面超大，矩形框架结构的安全性难以保证，拱形结构受力更好，从结构安全考虑，采用拱形结构优势明显。另外，由于暗挖段采用的是拱形结构，如果明挖段也采用拱形结构，整个隧道视觉美观效果会更好。基于上述原因，本隧道明挖段采用拱形结构，具体尺寸见图3。

图3 明洞结构(单位： cm)

对明洞结构进行计算，回填覆土按3 m考虑，得出结构弯矩及轴力图(见图4、图5)，并对最大弯矩处的截面进行配筋验算，过程如下： 最大弯矩为415 kN·m，对应轴力为609 kN，衬砌厚度取1000 mm，衬砌混凝土使用C30混凝土，计算As=2 506 mm2，实配As=2 533.3 mm2。配筋：全断面配筋φ 22@150。根据计算，全断面各部位配筋均为φ 22@150，配筋率0.25%，满足规范要求。

图4 弯矩图

图5 轴力图

3 基坑围护型式

明挖段基坑深约12 m，宽约39 m，区域内地质差且周边有建筑物，本段基坑采用“桩+横撑”进行防护。两侧布置钻孔桩，其直径1 m，间距1.3 m，外侧辅以直径0.8 m的旋喷桩止水，基坑内部从上而下依次设置:第1道钢筋混凝土横撑(80 cm×80 cm)、第2道钢管横支撑(Φ609)、第3道钢管横撑，考虑到基坑宽度大，通常在中间设置2道竖向格构立柱(550 cm×550 cm，由4块角钢拼接而成)，格构立柱距离基坑边缘12.9 m，格构立柱底部设置直径为1 m的基础桩，见图6。

图6 基坑防护(单位： cm)

上述基坑防护方案存在一些问题，对于常规的矩形框架结构施作，不需要模板台车，只需搭建简单的脚手架，由于本隧道明挖结构为拱形，拱形结构的浇筑需要用模板台车，本隧道基坑中间设置了2道竖向格构立柱，模板台车无法进入，而竖向立柱在结构浇筑好之前不能拆除，这是因为在浇筑隧道结构时，虽然拆除了第2道、第3道钢管横撑，但第1道钢筋混凝土横撑暂时是不能拆除，如果拆除了竖向立柱，就无法保证第1道钢筋混凝土横撑的安全(因为横撑的跨度太大)。另外，基坑较深、跨度大，地质极差，且周边建筑物离基坑很近(对基坑变形控制的要求高)，第1道钢筋混凝土横撑刚度较大，能有效抵挡基坑变形，而第2道、第3道钢管横撑刚度偏弱，难以阻挡基坑变形。

本项目基坑中间不能设置2道竖向格构立柱，且横撑需要进行优化，基于此，对常规基坑防护型式进行2处创新：①只在基坑中间设置1道竖向支撑，这样就不会影响模板台车的进入，鉴于基坑太宽，中间布置1道格构立柱(4块角钢拼接而成)已无法保证安全，采用刚度较大的Φ 609钢管作为竖向支撑(钢管内部填充C30混凝土)，且竖向支撑底部设置直径为1.2 m的立柱桩(长度为5 m)；②第1道钢筋混凝土横撑维持不变，如果第2道、第3道钢管横撑也调整为钢筋混凝土横撑的话，拆除很麻烦，不便于施工，因此考虑把钢管横撑优化为双拼Φ609钢管(2根钢管进行焊接，中心间距为0.9 m)，增加刚度。优化后的基坑防护情况见图7，双拼钢支撑纵向间距布置见图8。

图7 优化后的基坑防护(单位： cm)

图8 基坑防护剖面(单位： cm)

4 周边土体加固

鉴于基坑离建筑物较近，虽然基坑防护足够安全，为了确保万无一失，对基坑周边土体进行加固很有必要。考虑2种经济实用的加固方式：钢花管注浆、袖阀管注浆。2种注浆方式都是以高压的方式把浆液注入土体中，从而达到加固土层的目的，但袖阀管注浆能更好地控制注浆范围和注浆压力，后期可以根据现场实际施工情况进行重复注浆，且发生冒浆与串浆的可能性很小；钢花管注浆是用带孔的钢质花管打入或钻孔插入土中，再用压力将浆液注入花管中，浆液从孔中灌入土层，在土中形成加固土，提高地基强度，施工过程中如果要进行补充注浆的话，需重新打入钢花管。经过综合比较， 基坑周边建筑物保护措施为袖阀管注浆，见图9，注浆孔直径91 mm，阀管外径48 mm，间距为1.2 m×1.2 m，梅花型布置。钻孔设计深度约为16 m，穿过破裂面的长度不小于4 m，袖阀管安装高出地面0.3 m，可根据现场情况调整配管长度。注浆浆液采用水泥浆，水灰比1∶1，注浆压力0.5～1.0 MPa，注浆压力以观测和监测地面沉隆和建筑物沉降进行控制，靠近地面附近注浆压力≤0.2 MPa，以防止地面隆起。

图9 袖阀管加固

5 结论

本文对金山隧道明挖段方案设计进行探讨，主要有以下结论：

1) 隧道明挖段为双向8车道，断面超大，矩形框架结构的安全性难以保证，拱形结构受力更好，明挖段结构设置为拱形，并对结构进行配筋验算，满足规范要求。

2) 基坑采用“桩+横撑”的防护型式，仅在基坑中部设置1道Φ609钢管竖撑，避免影响模板台车的进入，且第2道、第3道横撑设置为双拼Φ609钢管横撑来提高横撑的刚度。

3) 基坑周边土体采用袖阀管进行注浆加固，注浆孔直径91 mm，阀管外径48 mm，间距为1.2 m×1.2 m，梅花型布置。钻孔设计深度约为16 m，穿过破裂面的长度不小于4 m，袖阀管安装高出地面0.3 m。